Výroba technologií pro pevné baterie

Vícesložková keramická pevná katoda pro první funkční testy. © Fraunhofer IPA/Foto: Inga Landwehr

V centru pro digitalizovanou výrobu bateriových článků při Fraunhofer IPA je společně s malými a středními podniky Dr. Fritsch Sondermaschinen GmbH a Dr. Fritsch GmbH & Co KG vyvíjena procesní technika pro pevné látky budoucnosti. Země Bádensko-Württembersko podporuje tento výzkumný projekt částkou přes milion eur.

»Pevné látky v bateriích mají potenciál nahradit dosavadní bateriové technologie«, přesvědčen je Carsten Glanz. Vedoucí skupiny pro aplikační techniku funkčních materiálů v Institutu Fraunhofer pro výrobní techniku a automatizaci IPA chce spolu s týmem vědců a dvěma malými a středními podniky z Bádenska-Württemberska vytvořit předpoklady pro automatizovanou výrobu vysoce kvalitních elektrických uložišť.

Ve srovnání s dnes běžnými lithium-iontovými bateriemi mají pevné látky několik výhod: vyšší bezpečnost – protože není potřeba kapalný elektrolyt, nic neuniká a nemůže se vznítit. Přidává se vyšší energetická hustota a delší životnost.

Technologie je však stále v počáteční fázi. »Pevné látky s keramickou vrstvou elektrolytu například dosud byly vyráběny pouze v laboratoři. Škálovatelnost – tedy převod výsledků do velkoprodukce – je stále zcela nejasná«, vysvětluje Glanz.

V projektu »Výzkum nových směšovacích a sintračních technologií pro gradované keramické pevné elektrolytové vrstvy«, zkráceně EMSig, chce inženýr nyní společně s dvěma průmyslovými partnery vyvinout a optimalizovat procesní řetězec pro velkoprodukci baterií s keramickými pevnými elektrolytovými vrstvami: »V IPA máme díky Centru pro digitalizovanou výrobu bateriových článků mnoho zkušeností s automatizací ve výrobě baterií a naši spolupracovníci mají hluboké znalosti v oblasti výroby, funkčnosti, manipulace a sintrace prášků.«

»Dr. Fritsch GmbH & Co KG bude v rámci projektu dodávat a upravovat keramický základní prášek, který je potřeba pro výrobu keramických elektrolytů«, informuje Ute Wilkinson, jednatelka společnosti Dr. Fritsch. »Zde máme kompetence pro výrobu na míru šitých materiálů a jejich analýzu.« Druhým partnerem je Dr. Fritsch Sondermaschinen GmbH, mezinárodně vedoucí výrobce strojů na míchání, dávkování a sintrační lisování prášků. Firma má dlouhou tradici v inovativním manipulování s prášky a ve sintrační technice. Nové výrobní metody tak mohou být okamžitě implementovány do potřebných strojů. Hlavním bodem výrobního procesu bude další rozvoj inovativních FAST / SPS-sintračních zařízení. Dr. Fritsch je s více než 1000 instalovanými sintračními zařízeními největším výrobcem takových FAST / SPS strojů na světě.

Hladký přechod místo pevných hranic

Speciální výzvou při výrobě pevných baterií jsou materiálové přechody: ostré hranice mezi jednotlivými vrstvami baterie mohou vést ke špatné iontové vodivosti. Díky rozdílným teplotním roztažnostem může dokonce dojít k prasknutí podél hranicových vrstev.

Řešením jsou plynulé hranice. »Z laboratorních pokusů víme, že napětí lze zabránit postupnými přechody mezi keramickým pevným elektrolytem a elektrodami«, uvádí Glanz. »Dosud však nebylo jasné, jak tyto napětí snižující přechody technicky realizovat.«

Cílem projektu EMSig je postavit demonstrační zařízení, ve kterém budou vrstvy pevných baterií složeny a sintrány pouze z tenkých, homogenních práškových vrstev, přičemž se složení prášku bude s každou vrstvou měnit: například na přechodu mezi elektrodou a elektrolytem bude postupně přidáváno více keramického prášku – 25, 50, 75 a nakonec 100 procent.

Za dva roky by měl být celý výrobní proces natolik vyzrálý, že jej bude moci průmysl využít pro velkoprodukci baterií. Projekt EMSig je podporován zemí Bádensko-Württembersko částkou 1,164 milionu eur.

Profil projektu

Projekt: »Výzkum nových směšovacích a sintračních technologií pro gradované keramické pevné elektrolytové vrstvy (EMSig)«
Partneři projektu: Dr. Fritsch GmbH & Co KG, Dr. Fritsch Sondermaschinen GmbH, Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA
Doba trvání projektu: 15.9.2021 až 14.9.2023
Podpora: 1,164 milionu eur
Poskytovatel podpory: Bádensko-Württembersko
Číslo podpory: BW1_0163/03